朱?亮 ¹ ，徐丹丹 ² ，武敬飛 ³（1.中電科儀器儀表(安徽)有限公司，安徽蚌埠?2330102.電子信息測試技術安徽省重點實驗室，安徽蚌埠?2330103.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽蚌埠?233010）

　　摘?要：介紹了寬帶無線通信技術產業化要求，通過仿真帶通濾波器、低通濾波器，并結合放大器、射頻開關設計了一種開關濾波器，滿足全制式寬帶通信信號的濾波要求，并經過印制板加工及測試，實驗結果滿足設計指標。

　　關鍵詞：無線通信；濾波器；射頻開關；寬帶放大器；

　　0 引言

　　隨著新一代寬帶無線通信技術產業化的不斷深入和發展，LTE-A Pro、LTE-A、LTE、WCDMA、TD-SCDMA和GSM等多制式寬帶通信信號共存的情況下如何針對不同制式進行分段濾波 ^[1] 。傳統寬帶濾波器只能針對固定頻段進行濾波，本文提出一種開關濾波器實現全制式寬帶信號帶外抑制，提高通信信號頻譜純度，滿足新一代無線通信要求。

　　1 開關濾波器基本工作原理

　　針對全制式寬帶通信信號不同頻段要求，在保證輸入輸出功率插損較小的情況下，進行濾波器分段設計，該開關濾波器包括開關帶通濾波器模塊和開關低通濾波器模塊。寬帶通道信號頻率范圍在400 MHz~6000 MHz，開關帶通濾波器針對400 MHz~6000 MHz信號進行頻段劃分，考慮設計成本問題及性能指標，濾波器沒有采用集成封裝濾波器器件，而是采用ADS進行仿真設計濾波器 ^[2] 。在仿真的時候考慮到設計的誤差，對通帶要求留有一定的余量。帶通濾波器模塊將頻段劃分為三段，400 MHz~2.8 GHz，2.75 GHz~4.55 GHz和4.45 GHz~6.1 GHz。其中400 MHz~2.8 GHz頻段采用2.8 GHz低通濾波器，其余兩段采用帶通濾波器設計，開關帶通濾波器模塊原理框圖如圖1所示。

　　圖1中每一路信號都需經過四個射頻開關，再加上每一路濾波器帶內差損，信號功率由輸入到輸出至少存在10 dB損耗，為了保證帶通濾波器輸出信號功率要求，必須對帶通濾波器輸出信號功率進行放大。

　　開關低通濾波器主要針對開關帶通濾波器模塊在400 MHz~2.8G Hz頻段內不能有效濾除二次諧波進行改善，同時對高頻寬帶信號中產生的雜散進行濾波。低通濾波器模塊將頻段劃分為三段，400 MHz~1.2 GHz，1.2 GHz~2.8 GHz和2.8 GHz~6.1 GHz，各濾波器均采用低通濾波器設計，開關低通濾波器原理框圖如圖2所示。

　　圖2中射頻開關通過級聯實現，對于信號在2.8 GHz~6.1 GHz時，寬帶通信信號經過低通濾波器模塊會產生高達10 dB的損耗，為了彌補通路中損失的功率，同樣采用寬帶放大器進行功率補償。

　　2 方案設計與實現

　　2.1 開關濾波器通路開關及放大設計

　　開關濾波器為了實現多頻段濾波，采用Hittite公司的SPDT開關HMC270MS8G實現級聯，HMC270MS8G器件指標如表1所示。

　　由表可知，HMC270MS8G開關插入損耗在高頻時只有1.7 dB，且隔離度能夠達到45 dB，保證了開關在級聯時信號損耗較小，隔離度足夠大。同時開關輸入功率1 dB壓縮點能夠達到20 dBm，可以保證本振在輸出較大信號時也不會出現功率壓縮。

　　為了避免在開關濾波器射頻通路中衰減器、開關以及濾波器對輸入信號存在較大的損耗，保證寬帶通信信號在最終輸出端功率滿足3 GPP要求，需要在射頻發通路中進行功率放大從而補償信號差損。

　　為了實現400 MHz~6000 MHz寬帶信號的功率輸出，通過比較，開關帶通濾波器模塊和開關低通濾波器模塊均采用Firsar公司的寬帶放大器FGB-1509A寬帶放大器進行放大，該器件指標如表2所示。

　　該器件工作頻率能夠達到9.0 GHz，增益達到+15 dB，且頻響較好，通過該放大器可以保證帶通濾波器輸出功率大于0 dBm，放大器設計電路及增益曲線如圖3所示。

　　2.2 射頻通路帶通濾波器設計

　　本方案未采用封裝好的集成濾波器，而是采用ADS仿真設計，在降低成本的同時提高整個模塊性能指標。對于低頻低通濾波器通過LC濾波器實現，設計簡單，器件分布參數對指標影響較小。對于高頻低頻濾波器，本文采用ADS仿真設計出扇形微帶濾波器 ^[3] 進行濾波。

　　帶通濾波器作為開關濾波器設計難點之一，采用帶狀線結構設計交指型濾波器，增大濾波器帶外抑制；采用微帶濾波仿真與參數優化技術，提高濾波器性能；眾所周知，傳統LC帶通濾波器設計簡單，逼近函數類型多，廣泛應用于低頻模擬電路。但由于LC器件標稱值誤差存在，濾波器指標不穩定，一致性較差。尤其在高頻時，LC由于分布參數的存在，感抗容抗發生變化，造成信號傳輸插入損耗變大，帶外抑制變差，以及中心頻率發生偏移等問題。在本文中，帶通濾波器通過采用帶狀線交指型結構 ^[4] 設計，并與PCB設計為一個整體，性能指標穩定。帶狀線結構由于其結構封閉性，沒有輻射，損耗小，帶通濾波器在插入損耗和帶外抑制上明顯優于微帶結構。同時由于終端短路式交指型濾波器具有體積小，結構緊湊，帶寬大，易于加工和一致性好等優點。此外為了避免外部安裝濾波器引起的阻抗不匹配、接地不充分造成的帶外自激和差損增大等問題，本方案將帶通濾波器和射頻電路作為一個完整的PCB設計，帶通濾波器結構如圖4所示。

　　兩款帶通濾波器的仿真曲線如圖5所示。

　　兩款帶通濾波器的測試曲線如圖6所示。

　　由測試結果可以看出帶通濾波器在減去線損的情況下通帶插入損耗小于4 dB，帶外抑制大于35 dB，帶內紋波優于1.5 dB，由于實際加工誤差和測試誤差，測試結果雖然略差于仿真結果，但測試結果仍滿足設計要求。

　　開關濾波器射頻走線在印制板頂層，但帶通濾波器使用帶狀線結構，為了避免微帶線和帶狀線通過過孔連接時由于阻抗不匹配射頻信號會造成較大反射，影響信號的傳輸。解決辦法通過在帶通濾波器兩端分別加入兩個衰減量為1 dB的Π型衰減器來實現阻抗匹配，經實際測試未發現信號反射問題。

　　2.3 開關濾波器實現

　　開關帶通濾波器模塊和開關低通濾波器模塊作為一個完整部件放入屏蔽盒中，組合安裝后的開關濾波器實物如圖7所示。該屏蔽盒通過分倉和在蓋板上增加導電橡膠板的模式有效抑制射頻通道相互干擾以及功率泄漏問題 ^[5] 。

　　3 結論

　　開關濾波器在新一代寬帶無線通信中具有舉足輕重的地位，其性能決定了全制式寬帶通信系統信號質量的好壞。本文基于帶通濾波器、低通濾波器，并結合放大器、射頻開關設計的全制式寬帶通信信號開關濾波器，能夠廣泛應用于無線通信系統領域。

　　參考文獻：

　　[1]靳應祥,一種組合型開關濾波器組的設計與實現[D].電子科技大學,2014.

　　[2]欒秀珍,房少軍,金紅,邰佑誠.微波技術[M].北京郵電大學出版社,2009.

　　[3]鄧世雄,陳星,李德治.扇形短截線結構的橢圓微帶低通濾波器設計[J]. 電子測試技術,2012.

　　[4]劉海強,周立學,李良.交指型微帶帶通濾波器的設計[J]. 電子科技,2014 (7):71-73.

　　[5]陳麗飛,射頻電路PCB的設計技巧[J].電子設計工程,2013(7):181-184.

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第06期第35頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）